使用 LTspice 模擬 CMOS 逆變器中的開關功率耗散
肯·海恩
2024 年 7 月 21 日
本系列的第一篇文章解釋了 CMOS 反相器中的兩大類功耗：
- 動態，當逆變器從一個邏輯狀態轉變為另一個邏輯狀態時發生。
- 靜態，由穩定狀態運轉期間流動的漏電流引起。
我們不會進一步討論靜態功耗。相反，本文和下一篇文章將介紹 SPICE 仿真，以幫助您更深入了解逆變器不同類型的動態功耗。本文重點在於開關功率－輸出電壓變化時電容充電和放電所消耗的功率。
LTspice逆變器實現
圖 1 顯示了我們將要使用的基本的 LTspice 逆變器原理圖。
圖 1. CMOS 反相器的 LTspice 實作。
在此實作中，我們使用 LTspice 元件庫中的 nmos4 和 pmos4 MOSFET。指定 FET 的長度和寬度很容易—只需右鍵單擊電路符號，LTspice 就會開啟圖 2 中的視窗。
圖 2. 在 LTspice 中指定 MOSFET 尺寸。
我們將採用傳統方法——該製程節點於 2000 世紀初推出——並對兩個 MOSFET 都使用 90 奈米的長度。對於 NMOS，我選擇了 150 奈米的寬度。 PMOS 的寬度遵循經驗法則，即其寬度應為 NMOS 的 2.5 倍左右。
額外的寬度補償了PMOS電晶體較低的遷移率，有助於均衡反相器的上升時間和下降時間。您可以在圖3和圖4中分別看到下降和上升的輸出轉換。
圖3. 模擬CMOS反相器的高至低輸出轉換。下降時間（90%至10%）為610 ns。
圖4. 模擬CMOS反相器輸出從低到高的轉換。上升時間（10%到90%）為390 ns。
您可能已經注意到，儘管我上面說過，該逆變器的上升和下降時間並不相等。相反，電壓圖記錄的下降時間為 610 ns，上升時間為 390 ns。預設 LTspice 模型庫中的 NMOS 和 PMOS 電晶體的電氣性能特性與我預期的不同。
模擬充電和放電電流
CMOS反相器的動態功耗與邏輯狀態轉換階段流動的兩種電流有關。本文僅討論其中一種：電容充電和放電所需的電流。為了方便研究，我在原始原理圖中添加了以下內容：
- 一個小電容器。這代表輸出電壓變化時必須充電的負載電容。
- 一個非常大的電阻。它代表連接到逆變器輸出端的高阻抗元件。
新的原理圖如圖5所示。需要注意的是，在實際電路中，輸出電容並非只是輸出節點上的單一電容。寄生電容和內部電容也會影響總輸出電容。
圖 5.具有輸出電容和負載電阻的 LTspice 反相器。
圖 6 中的紅色軌跡顯示了在低到高輸出轉換期間流入該逆變器 V_(OUT) 節點的電流。我按住 Alt 鍵並點擊連接 C1 和 R1 的導線，將其新增至圖中。這是您可能不知道的 LTspice 實用技巧——您可以使用 Alt + 點擊（如果您使用的是 Mac，則為 Cmd + 點擊）來測量流過任何一段導線的電流。
圖 6. 低至高輸出轉換期間的瞬態電流（紅色軌跡）。
瞬態電壓兩端的穩態電流均可忽略不計。瞬態電壓出現前，由於 V_(OUT) 處於接地電位，穩態電流基本上為零。隨著 V_(OUT) 的升高，大量電流必須從 V_(DD) 流出，並流經 PMOS 電晶體為 C1 充電。瞬態電壓過後，V_(OUT) 達到新的穩態值 V_(DD)。由於 R1 電阻非常高，電流再次變得非常低（約 18 nA）。
上圖中的電流報告為正，因為 LTspice 假設從 PMOS 汲極流出並給 C1 充電的電流為正。下圖（圖 7）顯示了從高到低的輸出轉換。由於放電電流流向相反方向，因此報告為負數。
圖 7. 高至低輸出轉換期間的瞬態電流（紅色軌跡）。
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